Los investigadores del MIT dicen que han llevado a cabo un análisis teórico que muestra que una familia de materiales bidimensionales exhibe propiedades cuánticas exóticas que pueden permitir un nuevo tipo de electrónica a nanoescala.

Se predice que estos materiales mostrarán un fenómeno llamado efecto Hall de giro cuántico (QSH), y pertenecen a una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición, con capas de unos pocos átomos de espesor. Los hallazgos se detallan en un artículo que aparece esta semana en la revista. Ciencias , en coautoría con los postdoctorados del MIT Xiaofeng Qian y Junwei Liu; el profesor asistente de física Liang Fu; y Ju Li, profesor de ciencia e ingeniería nuclear y ciencia e ingeniería de materiales.

Los materiales QSH tienen la propiedad inusual de ser aislantes eléctricos en la mayor parte del material, pero muy conductivo en sus bordes. Esto podría convertirlos en un material adecuado para nuevos tipos de dispositivos electrónicos cuánticos, muchos investigadores creen.

Pero solo se han sintetizado dos materiales con propiedades QSH, y las aplicaciones potenciales de estos materiales se han visto obstaculizadas por dos graves inconvenientes:su banda prohibida, una propiedad esencial para la fabricación de transistores y otros dispositivos electrónicos, Es demasiado pequeño, dando una baja relación señal-ruido; y carecen de la capacidad de encenderse y apagarse rápidamente. Ahora, los investigadores del MIT dicen que han encontrado formas de sortear ambos obstáculos utilizando materiales 2-D que se han explorado para otros fines.

Los materiales QSH existentes solo funcionan a temperaturas muy bajas y en condiciones difíciles, Fu dice, y agregó que "los materiales que predijimos que exhibirían este efecto son ampliamente accesibles ... Los efectos podrían observarse a temperaturas relativamente altas".

"Lo que se descubre aquí es un verdadero material bidimensional que tiene esta característica [QSH], "Dice Li." Los bordes son como cables cuánticos perfectos ".

Los investigadores del MIT dicen que esto podría conducir a nuevos tipos de electrónica cuántica de baja potencia, así como dispositivos espintrónicos, una especie de electrónica en la que el giro de los electrones, en lugar de su carga eléctrica, se utiliza para transportar información.

Grafeno un bidimensional, forma de carbono de un átomo de espesor con propiedades eléctricas y mecánicas inusuales, ha sido objeto de mucha investigación, lo que ha llevado a una mayor investigación sobre materiales 2-D similares. Pero hasta ahora pocos investigadores han examinado estos materiales en busca de posibles efectos QSH, dice el equipo del MIT. "Los materiales bidimensionales son un campo muy activo para muchas aplicaciones potenciales, ", Dice Qian, y el trabajo teórico de este equipo ahora muestra que al menos seis de estos materiales comparten estas propiedades QSH.

Los investigadores del MIT estudiaron materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición, una familia de compuestos hechos de los metales de transición molibdeno o tungsteno y los no metales telurio, selenio, o azufre. Estos compuestos forman naturalmente láminas delgadas, solo átomos de espesor, que pueden desarrollar espontáneamente un patrón de dimerización en su estructura cristalina. Es esta dimerización reticular la que produce los efectos estudiados por el equipo del MIT.

Si bien el nuevo trabajo es teórico, el equipo produjo un diseño para un nuevo tipo de transistor basado en los efectos calculados. Llamado transistor de efecto de campo topológico, o TFET, el diseño se basa en una sola capa del material 2-D intercalado por dos capas de nitruro de boro 2-D. Los investigadores dicen que estos dispositivos podrían producirse a una densidad muy alta en un chip y tener pérdidas muy bajas. permitiendo una operación de alta eficiencia.

Aplicando un campo eléctrico al material, el estado QSH se puede encender y apagar, haciendo posible una gran cantidad de dispositivos electrónicos y espintrónicos, ellos dicen.

Además, este es uno de los materiales conocidos más prometedores para su posible uso en computadoras cuánticas, dicen los investigadores. La computación cuántica suele ser susceptible a interrupciones; técnicamente, una pérdida de coherencia, incluso por pequeñas perturbaciones. Pero, Li dice:Las computadoras cuánticas topológicas "no pueden perder coherencia por pequeñas perturbaciones. Es una gran ventaja para el procesamiento de información cuántica".

Debido a que ya se están realizando muchas investigaciones sobre estos materiales bidimensionales para otros fines, otros grupos pueden desarrollar métodos para fabricarlos de manera eficiente y luego aplicarlos a la creación de nuevos dispositivos electrónicos QSH, Dice Qian.

Nai Phuan Ong, un profesor de física en la Universidad de Princeton que no estaba relacionado con este trabajo, dice, "Aunque algunas de las ideas se han mencionado antes, el sistema actual parece especialmente prometedor. Este emocionante resultado unirá dos subcampos muy activos de la física de la materia condensada, aislantes topológicos y dicalcogenuros ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.